高分多模卫星工作模式设计与在轨验证

范立佳 于龙江 姜洋 汪精华 余婧

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

高分多模卫星是民用空间基础设施“十三五”首批启动并首颗发射的科研卫星，采用全新一代中型敏捷遥感卫星公用平台，配置良好研制基础的大口径、长焦距高分辨率相机、分孔径多元探测的大气同步校正仪等有效载荷，实现敏捷成像模式下高分辨率、高质量图像数据的获取能力。作为科研卫星，根据遥感卫星技术发展情况，开展星上图像实时处理、星间激光通信等新技术的在轨试验及应用；首次实现中继数传在民用遥感卫星的应用，提高卫星任务响应能力，促进军民融合。高分多模卫星在兼顾高分辨率与敏捷成像的遥感卫星技术及应用的同时，发挥着技术引领和推动作用。

高分多模卫星有效载荷类型多、数据量大、工作模式复杂，卫星工作模式设计的好坏直接决定了卫星研制要求的满足度及在轨使用效能的发挥。因此，在满足研制任务要求的前提下，为更好地发挥卫星的在轨使用效能，充分调研了国内外设计[1-6]，并结合任务特点，完成了高分多模卫星工作模式设计工作。本文阐述了其工作模式的设计要求及约束，给出了工作模式设计思考及结果。卫星发射及在轨飞行验证了工作模式设计的正确性和合理性。

1 工作模式设计需求及约束

1.1 敏捷成像模式需求分析

高分多模卫星是目前我国民用对地观测卫星中分辨率最高的卫星，要实现优于0.5 m的高分辨率成像，实现精细化观测。高分多模卫星用户多、各行业应用广泛，成像目标区域呈现散布、点多的特性；传统推扫成像由于幅宽限制，一次过境数据获取能力有限。为满足各行业对高分辨率图像获取的迫切需求，通过敏捷成像，利用卫星快速指向成像区域，可一次过境实现对大量散布目标的图像数据高效获取，大幅度提升卫星的任务执行能力，充分发挥卫星的使用效能。

从国际光学遥感卫星发展趋势来看[7-9]，以高成像分辨率、快速的姿态机动能力为主要特征。以“昴宿星”(Pleiades)、“世界观测”(WorldView)系列卫星[1-2]为代表的高分辨率敏捷卫星，已经成为高分辨率光学遥感卫星的主要发展方向，并在商用领域取得了极大成功。图1给出主流敏捷光学成像卫星敏捷成像模式设计。

图1 敏捷成像模式设计Fig.1 Agile imaging modes design

1.2 有效载荷数据源下传需求分析

高分多模卫星配置高分辨率相机、大气同步校正仪等有效载荷；两者要求同时观测、数据同步存储及下传。高分辨率相机具有优于全色0.5 m/多光谱2 m、1个全色谱段+8个多光谱谱段的成像能力，原始数据率最大可达15 Gbit/s，其中全色约10 Gbit/s、多光谱5 Gbit/s；大气同步校正仪采用分孔径+多元探测器分视场设计方案，配置8个谱段20个通道，采样频率10 Hz，原始观测数据不超过8 kbit/s。2种有效载荷观测数据大小差异非常大，如何实现2种数据的高效处理及存储至关重要。

高分辨率相机数据可根据要求进行压缩处理，大气同步校正仪观测数据不做压缩处理，且两者的数据同时存储到固态存储器中；为提高卫星好用易用性，便于地面数传任务规划及地面图像处理，要求两者数据同步下传。

1.3 数据传输能力约束

根据高分多模卫星每天观测任务时间要求及有效载荷原始数据量，要求卫星具备每天成像数据当天下传的能力；卫星卓越的成像能力要求其必须具有可靠高效的数据传输能力。经调研分析[10]，X频段数传是迄今为止遥感卫星普遍采用的对地数传技术，国内及国际大部分地面接收站均可兼容。综合考虑传输效率、地面接收等各种因素，高分多模卫星采用X频段对地数传技术。根据卫星对数据传输需求，兼顾境内及境外站的接收能力，采用8PSK/SQPSK调制技术，双通道正交极化频率复用，实现2×800 Mbit/s和2×450 Mbit/s的双通道传输能力。

高分多模卫星作为一颗敏捷成像卫星，任务快速响应能力至关重要；为突破我国地面接收站布局限制，充分利用中继资源，配置了中继数传，进一步提高卫星全球图像数据的快速获取能力。

2 工作模式设计

高分多模卫星工作模式涵盖从卫星发射入轨、入轨状态建立、正常在轨飞行、卫星故障处置等各个飞行阶段所涉及的所有工作项目和动作，具体包括以下几个方面。①发射入轨模式：从卫星进入发射状态到星箭分离；②入轨状态建立模式：从星箭分离到卫星正常姿态的建立；③轨道控制模式：在轨工作期间需要定期或根据需求进行姿态和轨道控制，以完成轨道误差修正工作，此时卫星有效载荷不工作；④正常运行模式：卫星在工作轨道正常运行，有效载荷关机不工作，平台正常自主运行；⑤任务执行模式：卫星在轨执行各类任务，具体又可分为敏捷成像模式、特定区域快速获取模式、数据回放模式及激光通信试验模式；⑥应急模式：卫星进行整星级故障应对时采取的安全保护模式。根据工作模式设计，①和②在轨仅执行1次；卫星在轨飞行期间，主要在③，④，⑤，⑥之间进行切换，详细的逻辑关系见图2。从图2中可见：为有效保证卫星安全，卫星处于任意模式下，一旦出现异常或故障时，均可直接进入应急模式，且应急模式的退出路径只能进入正常运行模式，确认卫星运行正常后方可执行任务执行模式或轨道控制模式。在6种模式中，①～④为遥感卫星通用工作模式，模式状态简单，设计较为成熟，不再赘述。本文重点针对模式⑤和模式⑥进行设计。

图2 整星各工作模式间的切换关系Fig.2 Switching logic of satellite operating modes

2.1 任务执行模式

高分多模卫星根据任务要求，任务执行模式可分为业务任务和试验任务。业务任务包括敏捷成像模式、数据存储与传输模式、特定区域快速获取模式。敏捷成像模式和数据回放模式完全独立，可分时或同时执行。试验任务包括星间激光通信试验模式。

2.1.1 敏捷成像模式

高分多模卫星采用中型敏捷遥感卫星公用平台，配置具有良好研制基础的高分辨率相机、大气同步校正仪等有效载荷。充分利用平台的敏捷机动能力，结合大口径可见光相机敏捷成像能力，参考国外先进的WorldView系列卫星、Pleiades系列卫星的敏捷成像工作模式设计[1-2]，高分多模卫星设计有同轨多点目标成像模式、同轨多条带拼幅成像模式、同轨多角度/立体成像模式、沿迹/非沿迹主动推扫成像模式等多种敏捷成像模式。为满足用户对高分辨率、高图像质量数据产品的应用需求，减小大气对图像的质量影响，配置了大气同步校正仪，同步获取高分辨率相机观测区域的大气参数信息，并与相机数据同步下传，用于地面图像数据的大气校正处理，实现光谱复原度和调制传递函数(MTF)的提升。

1)同轨多点目标成像模式

卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现对一轨可视范围内散布的多个点目标(条带长度可根据任务需求进行设置)的访问成像，如图3所示。该模式旨在快速、高效获取多个关注区域的图像，满足对用户关注的散布小块目标的探测需求；一轨可获取目标数量不少于20个。

图3 同轨多点目标成像模式Fig.3 Single-pass targets imaging mode

2)同轨多条带拼幅成像模式

卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现对区域目标连续进行多次条带成像，以达到完全覆盖的目的，如图4所示。该模式旨在实现对某一较大面积区域的快速成像。实际应用时，各个条带的长度可以是不相等的。一次拼幅可以完成典型成像区域包括60 km×60 km，60 km×120 km，90 km×90 km，满足用户对一次过境成像幅宽15～90 km的需求，基本能够覆盖大部分城市核心区域。

图4 同轨多条带拼幅成像模式Fig.4 Single-pass strip imaging mode

3)同轨多角度成像模式

卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现对同一条带目标连续进行多个角度的成像，如图5所示，多角度成像次数可以在2～12次间任意指定。该模式旨在实现某一特定目标区域的多个不同角度的观测图像的获取，可为用户提供更为丰富的观测信息，提高定量化应用水平。

图5 同轨多角度成像模式Fig.5 Single-pass multi-view imaging mode

4)同轨立体成像模式

卫星通过快速姿态机动调整相机指向，实现单线阵立体成像，支持2视(前视、后视)或3视(前视、正视、后视)立体成像，基高比可设置，如图6所示。该模式旨在实现单线阵2视或3视立体图像，用户可以指定立体交汇角，或指定对于每幅图像的观测角度。其观测角度灵活，可根据用户需求灵活设置。

图6 同轨立体成像模式(2视)Fig.6 Single-pass stereo imaging mode

5)任意向主动推扫成像模式

利用卫星强大的敏捷机动能力，结合相机敏捷成像技术，是我国遥感卫星首次在轨实现“动中成像”，如图7所示。该模式旨在快速获取任意方向的条带区域图像，可以对河岸、海岸、边境、公路、管道等不规则长条带目标进行成像，大幅提高卫星图像采集效率；在不考虑天气影响观测机会的前提下，较传统遥感卫星沿迹推扫成像获取效率可提升数十倍。

图7 非沿迹主动推扫成像模式Fig.7 Non-along-track active pushbroom imaging mode

2.1.2 数据存储与传输模式

高分多模卫星的高分辨率相机原始数据达到了15 Gbit/s，受限于数据下传通道码速率及地面站分布的限制，无法实现成像数据直接下传。为解决上述问题，卫星配置大容量数据存储器，将相机成像数据进行适度压缩并存储，卫星过地面站或中继卫星时再进行数据下传，为此设计了数据存储模式和传输模式。

1)数据存储模式

根据卫星每天成像任务时间要求，考虑数据传输能力及地面站分布情况，经分析论证，配置了5 Tbit大容量固态存储器；采用基于差分预测编码技术的JPEG-LS算法，该算法简单、易于硬件实现，在低倍压缩下带来图像质量损失小；设计了多档压缩比灵活配置，可满足用户不同任务需求。

2)数据传输模式

针对高分多模卫星成像能力强、数据量大等特点，在数传模式设计时统筹资源、充分利用，设计了对地数传模式及中继数传模式。

(1)对地数传模式：作为商业化运营的科研卫星，设计时充分考虑商业用户需求，提高卫星数据获取时效性，为支持全球数据落地，对地数传设计时兼顾我国地面接收站、境外可租用地面接收站状态；基于同一套硬件系统，设计了高速、中速对地数传模式，用户可根据任务需求灵活使用。

(2)对中继数传模式：充分利用中继数传的优势，提高数据获取能力及响应能力，设计了兼容一代、二代中继系统的中继数传，用户可根据任务需求灵活选择应用。

2.1.3 特定区域快速获取模式

传统图像产品服务流程主要是卫星图像数据过固定地面接收站进行接收，接收后推送至地面处理中心进行地面处理，处理后再推送至用户部门，整个服务链条涉及多个环节全链路保障；但针对于重大灾害、事故或事件应用场景，受限于受灾区地理环境、设备设施等限制，当前的信息获取和传输手段无法满足快速应急信息分发的需求，亟需解决如何“第一时间”将受灾区域的遥感卫星图像产品传送到前沿应急指挥部，以便及时掌握灾害发生地点、涉及范围、发展趋势等信息[11-12]。为此，高分多模卫星设计特定区域快速获取模式，如图8所示。配置特定区域提取与处理单元，结合敏捷成像模式，完成用户关注的特定区域图像的提取、辐射校正及几何校正，生成用户可直接应用的2级图像产品，并利用数传的低速传输模式，在前沿应急指挥部配置更为灵活的机动站或微型便携接收站，即可完成图像数据的快速实时接收与显示，可有效解决如何“第一时间”将受灾区域的遥感卫星图像产品传送到前沿应急指挥部的问题，使获取时效由数小时提高至分钟级，为应急响应需求提供及时、有效的信息，能够有效解决灾区通信设施损毁所导致的数据传输难题，大幅提高重大灾害现场灾情信息传递的保障能力。

图8 特定区域快速获取典型应用场景Fig.8 Practical scenes of fast acquisition of specific area

2.1.4 激光通信试验模式

高分多模卫星搭载了一套小型化激光通信终端，开展高-低轨星间激光链路传输试验，突破高轨、低轨星间激光高速通信技术，为今后逐步建立天地一体化激光通信网络奠定技术基础。高分多模卫星采用激光通信试验模式，激光通信终端通过方位/俯仰2轴转动的方式实现高轨、低轨激光通信终端的捕获及跟踪；充分利用整星敏捷机动能力，通过姿态预置增加试验弧段，可大幅提升试验效率。利用高分多模卫星与高轨卫星激光通信终端完成捕获、跟踪、链路建立、链路保持及通信，高轨卫星终端接收数据存储，待通信结束后，高轨卫星激光通信终端将存储数据发至地面接收站。

2.2 应急模式

为保证卫星在轨安全，卫星上持续进行健康状态监控，无论卫星工作在哪种工作模式，在出现异常或故障时能自主判断且及时处理，防止故障扩散，并进入应急模式；当卫星电源出现异常时，整星立即停止任务执行，并进入最小电能模式；当卫星姿态异常时，整星立即停止任务执行，并转入全姿态捕获；若无法完成对日定向，卫星进入姿态停控状态，整星进入最小电能模式，停止喷气控制，防止推力器频繁喷气造成卫星姿态快旋，从而导致失控或者消耗过多燃料。

3 在轨验证情况

高分多模卫星于2020年7月3日发射，卫星顺利进入预定轨道，并按照预定程序顺利完成了初始速率阻尼，太阳翼展开及锁定，初始姿态建立，太阳翼捕获跟踪太阳等动作，建立了卫星的正常工作状态，充分验证了卫星发射入轨模式、入轨状态建立模式设计的正确性及合理性。卫星飞控期间，对正常运行模式、轨道控制模式进行了测试验证，结果表明：各模式设计正确，满足设计要求。其中：应急模式是在卫星异常或故障情况下自主进入的保护模式，卫星入轨后运行稳定，未进入此模式。不过，发射前通过地面初样/正样的电性能测试进行了充分验证。

在轨测试期间，完成了敏捷成像模式、数据存储与传输模式、特定区域快速获取模式及激光通信试验模式等全部任务执行模式测试验证，各类模式执行正常，功能性能满足要求，能够高效正确执行用户各类任务。

3.1 敏捷成像模式

高分多模卫星飞控及在轨测试期间，结合成像任务编排完成了同轨多点目标成像模式、同轨多条带拼幅成像模式、同轨多角度/立体成像模式、沿迹/非沿迹主动推扫成像模式等全部敏捷成像模式测试验证。其中：同轨多点目标成像模式可以实现单轨成像条带数量不少于20个；同轨多条带拼幅成像模式可以实现同轨6(拼幅条带数量)×102 km(条带长度)；同轨多角度成像模式可以同轨对同一目标实现12次以上的成像；同轨立体成像模式可以实现2视立体和3视立体成像，2视立体成像条带长度可达233 km，3视立体成像条带长度可达68 km，基高比可以灵活设置；任意向主动推扫成像模式是在国内首次实现，在轨测试期间进行了多次主动成像测试，均正确执行，图像效果良好，其中对美国西部海岸成像条带长度达到了383 km。

结合各类敏捷成像模式测试，完成了各类压缩比存储模式测试验证，星上图像数据存储正确、地面解压正常，图像质量良好，覆盖了全部压缩模式，满足研制要求。

3.2 数据传输模式

高分多模卫星飞控期间完成了对地数传和对中继数传通道打通，联合地面接收站及中继系统进行了调制方式、码速率及误码率测试，星地接口匹配，误码率满足优于1×10-7的指标要求。对地数传模式完成了2×800 Mbit/s，2×450 Mbit/s，2×100 Mbit/s对地数传模式测试，对地数传天线跟踪正常，地面接收数据并解调正确。对中继数传模式完成了2×300 Mbit/s，2×450 Mbit/s，2×600 Mbit/s对中继数传模式测试，中继数传天线跟踪正常，地面接收数据并解调正确。

高分多模卫星采用元任务设计，为简化星地接口，提高卫星好用性易用性，定义了可涵盖全部回放模式的“回放元任务”，仅需配置“回放元任务”中回放模式及码速率相关参数即可。在轨测试结果表明：设计合理正确，使用简易、灵活，操控性好。

3.3 特定区域快速获取模式

高分多模卫星在轨测试期间完成了特定区域快速获取模式测试验证，星上区域提取与处理单元均能根据任务正确执行特定区域图像的提取、辐射校正及几何校正，并生成用户可直接应用的2级图像产品。

2020年12月，在北京首次完成了面向应急响应需求的特定区域快速获取模式应用演示验证，模拟应急抢险救灾前沿应急指挥部“实时”接收受灾区域2级遥感图像产品，并进行判读应用的场景，试验现场见图9。10：54：24开始成像，成像后立即进行星上实时处理，生成15 km×15 km的2级图像产品；10：56：30通过应急指挥部配置的地面移动接收站完成了图像数据的接收、解调及图像产品显示应用。卫星成像至用户接收到可直接应用图像的获取全链路时间缩短至2 min左右，特定区域快速获取模式得到了全面在轨测试验证。测试结果表明：区域提取与处理单元功能性能满足要求，模式设计正确合理。此模式能够为应急响应需求提供及时、有效的信息，以便及时掌握灾害发生地点、涉及范围、发展趋势等，可大幅提升重大灾害现场灾情信息传递的保障能力。

图9 演示验证试验现场Fig.9 Site of demonstration test

4 结论

高分多模卫星工作模式设计时以充分发挥卫星在轨应用效能为宗旨，兼顾高分辨率成像与敏捷机动的有机结合，综合考虑各有效载荷配置需求，优化工作模式设计，实现了卫星效能最佳。

(1)设计敏捷成像模式，通过卫星敏捷机动能力和高分辨率相机成像的有机融合，实现了各种敏捷成像模式下高分辨率、高质量图像的高效获取能力，国内首次实现“动中成像”、多角度成像等，大幅提升卫星获取效率及应用价值。

(2)设计数据存储与传输模式，兼顾多有效载荷大数据量处理、存储及传输需求，充分利用现有资源，合理设计对地数传和中继数传，有效解决了制约成像能力的数据传输的瓶颈，提高了卫星响应能力。

(3)设计了区域快速获取、激光通信试验等创新模式，开展星上实时处理、星间激光通信试验等新技术在轨验证及应用探索。